平 成 26 年 度

修士論文概要

主査

舟橋

入学年度

平成 25 年度

論文題目

VR-learning システム‐タブレット版化学実験体験システムの構築と教育効果の検証

健司

副査

本谷

学籍番号25417515

秀堅研究室

舟橋研究室

氏名

内山享佑

Evaluation of Educational Eﬀect for VR Chemical Laboratory Experience System

1

はじめに

タブレット 版 VR 化学実験体験システム

3

教育は人類の文化を形成する上で非常に重要である．

PC 版 VR 化学実験体験システムをベースにタブレッ

人類は文化の発展とともに教育体系を発展させたがそト版 VR 化学実験体験システムを構築する．その際に，れとともに人々が実際に物事を体験する機会は急速に

従来は 3 次元モーションセンサを介して行っていたビー減少した．実際に手を動かして物事を体験することはカーやフラスコなどの容器操作および液体のかき混ぜ操教育において非常に重要である．しかし，発展した教育

作を可搬性の面からタッチパネルを用いたインタフェー体系では体験を伴った教育を行うことは困難なこともスへと変更する [3]．またタブレット版のみならず PCある．そこで当研究室では体験型教育システムに着目版にも言えることだが VR 化学実験体験システムの教し ，小学生から中学生程度を対象とした PC 版 VR 化

育現場や家庭への普及を考えた際，液体の実験は実際学実験体験システムを開発している [1]．本システムはに小中学生が学習する実験内容を行えることが望まれ

VR 環境内のビーカーやフラスコを実際に手を動かし操作することで実験の手順や化学反応を確認することがる．そこで全国共通の教育指針となる文部科学省が定める実験の手引きを参考に，「 水溶液には，酸性，アルカ可能なシステムである．臨場感の高い化学実験体験シ

リ性および中性のものがあること」が学習できる実験

ステムを構築するためには薬品の液体挙動を自然に表内容，すなわち試薬の組み合わせとその反応のデータ現する必要がある．当研究室では教育機関や家庭などベースを構築した．最後に，タブレットの制約上，PCで利用してもらうために対話操作を重視した粒子・体版では実現している機能の一部は実装が困難であった．

積に基づく仮想液体操作モデルを提案している [2]．本

そのため，現時点では化学実験が行える最低限の機能モデルでは厳密な液体の挙動を再現していないが，容を実装し，また一部の機能は簡略化した上で実装した．

器内の液体を別の容器ですくう，こぼすなど の動作が4可能であり操作者が容器を介して液体を操作していると感じることができる．本研究では VR 化学実験体験システムの教育機関や家庭での利用を考え，タブレッ
ト版 VR 化学実験体験システムを構築する．また本システムの教育機関や一般家庭への普及を目指し，小学 6

実験とその結果
前述の通り図 1 のようなタブレット版 VR 化学実験体験システムを構築し 評価実験を行う．評価対象は外れ値を除外した小学 6 年生 12 名，小学 5 年生 3 名，小学 4 年生 2 名である．

年生程度を対象に評価実験を行い，その結果から本システムの教育効果について検証する．

2

粒子・体積に基づく仮想液体操作モデル
本モデルでは液体を容器内状態と自由落下の状態に分けて考え，液体が前者の状態では体積に基づき，後者の状態では互いの干渉を考慮しない粒子に基づいて表現する．また，当研究室では本モデルに基づき様々な

図 1: 実験に用いるタブレットの全容状況の液体表現を研究してきている．容器内状態では液面における渦や波の表現，液面および側面における4.1

評価項目と評価方法

色の拡散，フラスコ型容器の筒部分などを伝い流れる

まず教育効果がど の程度であるかを調べたい．そこ表現を行うことでより臨場感のあるシステムを実現しで「 学習理解度」の評価項目として「液体の混ぜ合わている．自由落下の状態では初期の自由落下粒子に代せ，色の変化に関する理解度」，「 各試薬の反応に関すえて新たに少数の鍵粒子を用意し ，鍵粒子の影響範囲る理解度」「，各液体が酸性，アルカリ性，中性のどれにに対して包絡面を描画することで自由落下状態の液体属しているかに関する理解度」の 3 つを設定する．まの描画の質を向上させている．

た，タブレットを用いたシステムである性質上，操作者が思い通りに動かせるかど うかも重要な要素である．

特に本システムでは容器操作および液体のかき混ぜ操のガラスの存在を示したい．ただし，容器が空の場合に作をタッチパネルを介して行うため「 操作性」の評価は確認が困難である点を除けば「思い通りに操作でき項目として「思い通りに容器を操作し液体の移動がでた」などの高い評価が得られ，容器操作のインタフェー

きたかど うか 」，「 液体のかき混ぜを思い通りに操作でス自体は有用であると考えられる．

きたかど うか 」の 2 つを設定する．最後に対象者が小Ⅼᩘ

学生から中学生程度なのでシステム自体に興味を持ち，ϲேே

楽し く触れることができるかど うかも検証すべきと考えた．そのため「楽しさ」の評価項目として「実験全体

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を通してどれくらい楽しめたか」を設定する．なお，小ϱ

学 4，5 年生は水溶液と試薬に対する予備知識がないたϯϮϭめ，「 学習理解度」を除いた項目で評価実験を行う．評
価方法は 5 段階評価の点数制とし ，設問それぞれに自図 3: 思い通りに容器を操作できたかの結果由筆記欄も設けた．

4.2

学習理解度の結果についての検証

学習理解度の評価結果を図 2 に示す．学習理解度に4.4

実験全体を通してどれくらい楽しかったについてはついては全ての評価項目で 80%以上の児童から 4 点以上の高い評価が得られた．しかしながら「各液体が酸性，アルカリ性，中性のどれに属しているかに関する理解度」の項目は他の 2 つに比べて 5 点を付けた人数が少ないことがわかる．これについては自由筆記欄の意見から中性を判別できず，5 点を付けられなかったの楽しさの結果についての検証

平均点が 4.882 でありほとんど の児童から 5 点の評価を得ることができた．また「楽しく勉強できた」などの高い評価が得られ，本システムは十分に興味を持って触ってもらえることが伺える．

5まとめではないかと考えられる．そこでより学習度の高いシ

本研究では当研究室で開発してきている PC 版 VRステムとするために中性のわかる反応，つまりわかり化学実験体験システムの教育機関や家庭での利用を考やすい中和反応の実装が考えられる．

え，タブレット版 VR 化学実験体験システムを構築しϬйϮϬйϰϬйϲϬйϴϬй

た．また，本システムの教育機関や一般家庭への普及をϭϬϬй目指し教育効果の検証も行った．検証の結果を考察したᾮయ䛾ΰ䛬ྜ䜟䛫䠈Ⰽ䛾ኚ໬䜢⌮ゎ䛷䛝䛯䛛Ⅼᩘϱϰྛヨ⸆䛾཯ᛂ䜢⌮ゎ䛷䛝䛯䛛ྛᾮయ䛜㓟ᛶ䚸䜰䝹䜹䝸ᛶ䚸୰ᛶ䛾䛹䜜䛻ᒓ䛧䛶䛔䜛䛛⌮ゎ䛷䛝䛯䛛ϯϮϭところ，本システムを用いることで十分な教育効果が得られることが分かった．今後の課題としては，4.2 節で挙げた中和反応をわかりやすくするための表現の実
現や，PC 版で実装されている機能や新たな機能をタブレット版でも実現することが挙げられる．上記課題の解決を含め，教育機関や家庭で利用できるように VR 化
学実験体験システムの体験型教育システムとしての完

図 2: 学習理解度の結果成を目指していきたい．

参考文献
4.3

操作性の結果についての検証

液体のかき混ぜについては平均点が 4.529 であることから高い操作性を実現できたことがわかる．その一方で容器操作については平均点が 3.765 であり図 3 からもわかるようにほとんどの児童が 3，4 点の評価を付けていた．上手く操作できなかった点として「 容器が見づらかった」など の意見が見られた．本システムの容器はタブレットの制約上機能を簡略化しているため，[1] Y. Natsume, A. Lindroos, H. Itoh and K. Funahashi，“The Virtual Chemical Laboratory Using
Particle and Volume Based Liquid Model”, Proc.
SCIS & ISIS 2010, pp.1354-1359, 2010.
[2] K. Funahashi and Y. Iwahori，“Representation ofSwinging Liquid on Virtual Liquid Manipulation”，
Proc. ICAT 2001，pp.179-184，2001．

液体が入っている状態でのみ側面描画を行うようにし，[3] 内山享佑，舟橋健司，“VR 化学実験体験システム

空の状態ではワイヤーフレームで表示していた．こののためのタッチパネル 3D インタフェース”，日本

ため背景や床のテクスチャとの見分けが付きにくくなっバーチャルリアリティ学会第 18 回大会講演論文集，てしまい上記の問題が発生してしまったのであろう．今

pp.578-581，2013

後は，空の状態でも側面を薄い白色透明で描画し容器